НАСОС Российский патент 1997 года по МПК F04B1/04 F01B1/06 

Изобретение относится к насосостроению, в частности к насосам с эксцентриковым приводом перемещения плунжеров, и может быть использовано в установках, обеспечивающих беспульсационную подачу рабочей жидкости, например в жидкостной хроматографии.

Известен плунжерный насос, содержащий две насосные головки с входными и выходными клапанами, плунжеры, контактирующие с профилированным кулачком, соединенным с электроприводом. Плунжеры насосных головок расположены противофазно к профилю приводного кулачка и имеют с ним постоянный кинематический контакт. Профиль кулачка выполнен криволинейным по Архимедовой спирали для обеспечения равномерного поступательного перемещения плунжеров при постоянной частоте вращения кулачка (Соколов М.В. Гуревич А.Л. Автоматическое дозирование жидких сред. Л. Химия, 1987, с. 303).

Применение кулачка с таким профилем в качестве привода перемещения плунжеров насосных головок снижает надежность конструкции насоса в плане ремонтопригодности. Кроме того, снижается технологичность конструкции приводной части насоса, поскольку требуется получить криволинейный профиль кулачка с высокой степенью точности. При изготовлении сложнопрофильного кулачка на копировально-фрезерных или на станках с числовым программным управлением неизбежны отклонения его профиля от заданного, обусловленные, например, дискретным представлением информации об обрабатываемой поверхности. Это требует последующей тщательной отделки наружной поверхности кулачка, а также подгонки профиля. В процессе эксплуатации насоса рабочая поверхность приводного кулачка изнашивается неравномерно, во-первых, из-за неизбежного разброса механических характеристик материала кулачка, например, по твердости на различных участках рабочего профиля кулачка, во-вторых, из-за дополнительных нагрузок на кулачке при переходе с участка всасывания на участок нагнетания. Обычно снижение нагрузок перехода с одного участка профиля кулачка на другой осуществляется по определенным (желательно гармоническим) законам. В данном случае это неприемлимо, так как ввод дополнительного участка перехода от участка всасывания к участку нагнетания увеличивает пульсацию подачи. Все это снижает технологичность и надежность конструкции насоса, а также увеличивает трудоемкость его изготовления.

Наиболее близким к изобретению является плунжерный насос, содержащий эксцентриковый вал и рабочие камеры с входными и выходными клапанами. Эксцентриковый вал имеет постоянный кинематический контакт с плунжерами насоса, причем эксцентрики вала развернуты друг относительно друга на угол α= 360^°/n, где n количество камер насоса (Мюллер Э. Гидравлические прессы и их приводы. т. 1. Ковочные прессы. Перев. с нем. Копицина В.И. М. Машиностроение, 1965, с. 105).

При равномерном вращении эксцентрикового вала неравномерность подачи перекачиваемой жидкости потребителю зависит от количества камер насоса. Например, при количестве рабочих камер n 11 неравномерность подачи составляет 1 Эксцентриковый вал достаточно просто изготовить с высокой степенью точности, что является одним из основных преимуществ насоса-прототипа. Для уменьшения износа, а также поперечных сил, передаваемых на плунжеры, на эксцентрике соосно ему установлен шарикоподшипник. Такая конструкция насоса, кроме своей высокой технологичности, обладает и высокой ремонтопригодностью в плане замены изношенных элементов или их восстановления.

Недостатком данной конструкции является то, что для подачи жидкости с малой пульсацией расхода необходимо значительное количество рабочих камер, что увеличивает габаритные размеры насоса, усложняет конструкцию блока рабочих камер, увеличивает момент сопротивления вращению эксцентрикового вала.

Задачей изобретения является упрощение конструкции, снижение трудоемкости изготовления и металлоемкости, уменьшение габаритных размеров.

Она решается за счет того, что в конструкции насоса для создания требуемого расхода перекачиваемой жидкости имеются только две рабочие камеры с входными и выходными клапанами. Для обеспечения высокой стабильности подачи или высокой стабильности поступательного перемещения плунжеров угловая скорость вращения эксцентрикового вала, имеющего постоянную кинематическую связь с плунжерами, изменяется в течение такта нагнетания по закону:
,
где T длительность такта нагнетания;
t время, 0 ≅ t ≅ Т/2.

Для синхронизации углового положения эксцентрикового вала и начала такта нагнетания рабочей жидкости в напорную магистраль той или иной камерой в конструкции насоса предусмотрен генератор синхронизирующих импульсов, выполненный в виде оптического датчика и контрастных меток, нанесенных на торцевой поверхности диска, установленного на оси эксцентрикового вала и вращающегося вместе с ним. При этом упрощение конструкции, снижение трудоемкости изготовления и его металлоемкости достигается за счет следующих факторов. Количество рабочих камер уменьшено до двух. При меньшем количестве рабочих камер, т.е. при одной, не удается обеспечить требуемую непрерывность подачи рабочей жидкости, поскольку практически невозможно уменьшить такт всасывания насоса до "нуля". Увеличение рабочих камер, т.е. до трех и более, только усложняет конструкцию насоса, увеличиваются габаритные размеры, металлоемкость, трудоемкость изготовления. При вращении эксцентрикового вала с постоянной частотой (ω), контактирующие с ним плунжеры насоса совершают возвратно-поступательное движение по гармоническому закону (фиг.6). Для обеспечения равномерной подачи рабочей жидкости потребителю необходимо, чтобы плунжер в течение такта нагнетания перемещался равномерно с постоянной скоростью перемещения. Это графически отображено на фиг. 6 в виде наклонной линии, соединяющей начало и конец такта нагнетания. Математически это же требование можно представить в виде:
, (1)
где А амплитуда колебания эксцентрикового вала;
T период колебания;
Φ угол поворота эксцентрика;
t время,
или
(2)
Тогда угловая скорость вращения эксцентрикового вала можно определить как первую производную от 2
(3)
Подставляя в выражение 3 получим:
(4)
Графически эта зависимость угловой скорости вращения эксцентрикового вала в течении такта нагнетания представлена на фиг. 7. При t 0 и t 0,5 Т значение . Область больших значений довольно узка и не превышает 1,5 от длительности такта нагнетания. Для этой области скоростей вращения эксцентрикового вала при необходимости коррекции сжимаемости жидкости можно рекомендовать ее прохождение с постоянной частотой вращения эксцентрикового вала с выполнением условия синхронизации по угловому положению эксцентрикового вала:
, (5)
где угол, определяющий положение эксцентрикового вала в конце участка его вращения с постоянной угловой скоростью;
угол, определяющий положение эксцентрикового вала при вращении его по предложенному закону.

При этом конкретное значение соотношения выбирается исходя из требуемой точности подачи насоса. Дополнительные расчеты показывают, что при заданной неравномерности подачи в 1 соотношение не превышает 2,7. С учетом вышесказанного возможный вариант прохождения области больших частот вращения предоставлен на фиг. 8. Для обеспечения синхронизации углового положения эксцентрикового вала и начала такта нагнетания в системе управления шаговым приводом предусмотрен оптический генератор синхронизирующих импульсов. Наиболее просто он реализуется на основе фотодиода и источника света. На эксцентриковом валу соосно с ним установлен диск, на торцевой поверхности которого нанесены контрастные метки. Свет отражается (или поглощается) от контрастной метки, что воспринимается фотодиодом, вырабатывающим синхронизирующий импульс напряжения. Взаимное фазовое расположение контрастных меток и эксцентрикового вала таково, что при начале нагнетания рабочей жидкости в магистраль генератор синхронизирующих импульсов вырабатывает импульс напряжения. Далее этот импульс воспринимается системой управления шаговым приводом вращения эксцентрикового вала, которая начинает отрабатывать указанный выше закон (3). Таким образом, изменение угловой скорости вращения эксцентрикового привода перемещения плунжеров насоса согласно предложенного закона позволяет избавиться от дополнительных камер, что закономерно упрощает устройство насоса, уменьшает габаритные размеры насоса, снижает трудоемкость изготовления и его металлоемкость.

На фиг. 1 схематично изображен описываемый насос, продольный разрез; на фиг. 2 вид сверху на фиг. 1; на фиг. 3 разрез А А на фиг. 1; на фиг. 4 - вид Б на фиг. 1; на фиг. 5 функциональная схема управления угловой скоростью вращения эксцентрика; на фиг. 6 закон возвратно-поступательного движения плунжеров при постоянной угловой скорости вращения эксцентрикового вала и при изменяющейся угловой скорости вращения по предложенному закону; на фиг. 7 закон изменения угловой скорости вращения эксцентрикового вала (формулы 4 и 3) в течение такта нагнетания; на фиг. 8 один из вариантов прохождения области высоких угловых скоростей вращения эксцентрика; на фиг. 9 закон изменения мгновенного периода управляющих импульсов, поступающих на коммутатор фаз в течение такта нагнетания.

Насос содержит корпус 3. Рабочие камеры 1 и 2 насоса выполнены в одном корпусе 3, который с помощью винтов 4 и штифтов 5 установлен на платформе 6, на которой установлены шариковые направляющие 7, обеспечивающие ее линейное перемещение. В отверстие платформы 6 установлена втулка 8 из закаленной стали, непосредственно взаимодейстующая c подшипником 9 эксцентрика 10, жестко установленного на валу шагового двигателя 11. На валу шагового двигателя установлен диск 12, контрастные метки которого взаимодействуют с фотодиодом 13 и светодиодом 14. Плунжеры 15 и 16 вместе с рабочими камерами 1 и 2 образуют рабочие объемы насоса, герметизация которых осуществляется с помощью уплотнений 17 и 18. Головки плунжеров 15 и 16 размещены в упорах 19 и 20, неподвижно закрепленных на основании 21. Электрический сигнал с фотодиода 13 поступает на вход системы управления 22, состоящей, например, из счетчика импульсов 23, запоминающего устройства 24 с записанным предлагаемым законом, счетчика 25, задающего генератора 26, коммутатора фаз 27 шагового двигателя.

При прохождении контрастной метки под фотодиодом 13 он вырабатывает электрический импульс, который поступает на счетчик 23. После обнуления он начинает считать импульсы, поступающие с коммутатора фаз 27. Согласно каждого из поступающих импульсов запоминающее устройство 24 выставляет на входы счетчика 25 записанное слово. На другой вход счетчика 25 поступают импульсы с задающего генератора 26, которые уменьшают выставленное слово до нуля. В момент обнуления этого слова счетчик 25 вырабатывает сигнал, поступающий на вход коммутатора фаз 27 и на вход счетчика шагов 23 двигателя, который увеличивает записанное в нем число на единицу. Далее осуществляется процесс, описанный выше до поступления следующего синхронизирующего импульса на счетчик 23.

С помощью задающего генератора 26 обеспечиваются требуемые расходы насоса. Обычно они определяются диапазоном 0,1 5 см³/мин. При диаметре плунжера 0,4 см и ходе 0,5 см угловая скорость вращения эксцентрикового вала согласно этому диапазону расходов будет находиться в пределах 0,8 до 39 об/мин соответственно. При этом частота управляющих импульсов, следующих на коммутатор (при постоянной угловой скорости вращения эксцентрика) шагового двигателя типа ДВШ, находится в пределах 26 1331 шаг/сек. При организации работы насоса по предложенному закону на основе дискретной техники удобно пользоваться зависимостью мгновенного периода управляющих импульсов коммутатора фаз в течение такта нагнетания, которая представлена на фиг. 9. В запоминающее устройство 24 занесена информация о зависимости мгновенного периода управляющих импульсов от угла поворота эксцентрика T^и= f(Φ), полученная в результате расчета на ЭВМ. Допустим, что максимальное значение функции имеет разбиение на 100 дискрет, а соотношение . Тогда частота задающего генератора 26 для обеспечения расхода 0,1 см³/мин должна быть равной 833 Гц, а для расхода 5 см³/мин - 42372 Гц соответственно. Технические характеристики современных микросхем по быстродействию достаточно высоки (рабочая частота около 10 15 Мгц), что позволяет создавать задающие генераторы, подходящие для решения поставленной задачи.

Таким образом, в предлагаемом устройстве достигается значительное упрощение конструкции насоса, снижаются габаритные размеры, металлоемкость и трудоемкость изготовления, а также расширяются возможности насоса по коррекции расхода перекачиваемой жидкости с учетом ее сжимаемости при высоком уровне технологичности и ремонтопригодности привода перемещения плунжеров.

Использование: в машиностроении, а именно в установках, обеспечивающих непрерывную беспульсационную подачу перекачиваемой жидкости, например, в жидкостной хроматографии. Сущность изобретения: перемещение плунжеров в насосе осуществляется эксцентриковым валом, жестко связанным с шаговым электроприводом. Для обеспечения синхронизации начала такта нагнетания и углового положения эксцентрикового вала на нем установлен диск, на боковую поверхность которого вынесены контрастные метки генератора синхронизирующих импульсов, состоящего из фотодиода и источника света. 9 ил.

Насос, содержащий рабочие камеры с входными и выходными клапанами и эксцентриковый привод перемещения плунжеров, отличающийся тем, что имеет две рабочие камеры, равномерно перемещающиеся плунжеры которых контактируют с эксцентриковым валом, жестко связанным с шаговым электроприводом, угловая скорость вращения которого в течение такта нагнетания изменяется системой управления по закону

где Т период колебания плунжера;
t текущее время, 0 ≅ t ≅ 0,5Т,
а на оси вращения эксцентрикового вала установлен диск с контрастными метками, взаимодействующими с фотодиодом и источником света генератора синхронизирующих импульсов.